ESTUDO DO EFEITO DA PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO NA … · cavacos ou pós grosseiros, de materiais ferrosos produzidos em processos de usinagem, eram considerados como sobras dos processos

ESTUDO DO EFEITO DA PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO NA SINTERIZAÇÃO

DE CAVACOS FERROSOS

L. Resende (1); S. R. S. Soares (1); M. L. Rodrigues (1); E. K. Dias (1); F. A. Costa

(2); U. U. Gomes (2)

Rod. Rondonópolis-Guiratinga, KM 06, Sagrada Família. CEP: 78735-901.

Rondonópolis – MT

[email protected]

(1) Engenharia Mecânica / UFMT – Universidade Federal de Mato Grosso.

(2) DFTE / UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

RESUMO

Não é economicamente vantajoso reaproveitar cavacos de aço para se fabricar

peças pequenas desse material via siderurgia ou fundição. Um processo alternativo

para isso é o reaproveitamento desses cavacos através da compactação em Alta

Pressão. Nesse trabalho, compactos de cavacos grosseiros de aço SAE 1050 (≤ 300

µm) provenientes de um processo de usinagem a seco foram sinterizados. As

amostras de aço foram compactadas a frio sob pressões uniaxiais de 0,5 GPa e 2,0

GPa. Após foram sinterizadas em forno mufla sob atmosfera carbonetante. A taxa de

aquecimento, as temperaturas e tempo de sinterização foram de 20ºC/min, 1100ºC e

1200ºC, e 90 min respectivamente. Os materiais de partida e as amostras

sinterizadas foram caracterizados por microscopia óptica, medidas de microdureza,

dureza e densidade. O conjunto de resultados desse trabalho mostrou que o

aumento da pressão atuou como uma força motriz adicional ao processo de

sinterização nas amostras compactadas. Através dela foi possível produzir amostras

altamente densificadas com propriedades mecânicas superiores aquelas obtidas nas

peças produzidas a partir da baixa pressão.

Palavras-chave: sinterização, cavacos ferrosos, alta pressão, densificação,

mecanismos de sinterização.

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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INTRODUÇÃO

Na indústria em geral, até pouco tempo atrás, os resíduos sólidos tais como

cavacos ou pós grosseiros, de materiais ferrosos produzidos em processos de

usinagem, eram considerados como sobras dos processos que deveriam ser

descartados, sem maiores preocupações quanto à sua destinação (1).

Os resíduos sólidos ou sucatas tais como os cavacos resultantes do processo

de usinagem variam de acordo com o material usinado. Eles podem ser

classificados por tipos, tais como o contínuo, de cisalhamento e de ruptura (2).

Normalmente na reciclagem, os cavacos de aço resultantes das operações de

usinagem são coletados, subsequentemente fundidos e transformados em lingotes

com composição química muito bem redimensionada, para finalmente serem

retrabalhados e transformados em produtos acabados ou semiacabados por

conformação plástica, usinagem, fundição ou outros processos de fabricação (3).

A preocupação mundial com o reaproveitamento de resíduos sólidos tais como

cavacos tem levado indústrias a buscar alternativas para o destino final dos

mesmos. A Metalurgia do Pó é uma delas, pois, por seu intermédio, pode-se

transformar esses materiais em compactos de pós ou de cavacos, sob baixa e alta

pressão, respectivamente, e a partir disso fabricar peças de grande interesse para

setores da indústria tais como a automobilística, eletrodomésticos, ferramentaria e

de metal duro, aeroespacial, e uma infinidade de outras aplicações (3).

A compactação a frio sob altas pressões (P>1,0 GPa) é uma rota bastante

promissora para melhorar as condições de sinterabilidade de materiais, porque além

de promover uma maior compactação do pó ou cavaco de partida, uma tensão

externa aplicada irá somar-se à tensão superficial como força motriz para o processo

de sinterização. Adicionalmente, pressões extremamente elevadas permitem a

deformação plástica, mesmo de materiais de baixa ductilidade, promovendo um

contato íntimo e extenso das partículas ou cavacos e eliminando poros e trincas.

Isso tende a diminuir o tempo e/ou a temperatura de sinterização, evitando-se o

crescimento excessivo de grãos, sem o uso de aditivos. Além disso, as pressões

elevadas provocam fratura nos grãos em materiais frágeis ou dúcteis altamente

encruados, o que propicia um pó de partida, para a sinterização, mais fino, sem os

riscos de contaminação presentes, quando são usados métodos de cominuição

prévia do pó (4).


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Dentro deste contexto, estudou-se, nesse trabalho, a possibilidade da

sinterização de cavacos de aço SAE 1050, de tamanho menor ou igual a 300 µm,

previamente compactados em alta pressão e avaliou-se, de uma forma rigorosa e

sistemática, a sua densificação.

MATERIAIS E MÉTODOS

No presente trabalho, foram usados cavacos metálicos obtidos através de

operações de corte a seco realizadas num tarugo de aço SAE 1050. Amostras

cilíndricas desses cavacos com 8 mm de diâmetro e 3 mm de altura foram

compactadas sob pressões uniaxiais de 0,5 GPa e 2,0 GPa, chamadas,

respectivamente, de amostras de baixa e alta pressão. Com a finalidade de servir de

referência para a análise e discussão dos resultados, foi produzida uma amostra

original (AM00) com essas dimensões a partir da usinagem de um tarugo de aço

SAE 1050. Os compactos foram sinterizados em atmosfera carbonetante sob uma

taxa de aquecimento de 20ºC/min, tempo de 90 minutos e temperaturas de 1100ºC e

1200ºC.

A densidade das amostras compactadas foi medida pelo método geométrico

(massa/volume). A densidade das amostras sinterizadas foi medida pelo método

picnométrico (6, 7) e foram realizadas 10 medidas com cada uma delas. Para

determinar a densidade relativa das mesmas, os valores obtidos foram comparados

com o valor de densidade medida na amostra original (AM00) e adotada como

teórica no presente trabalho (7,84 g/cm3).

A microestrutura das amostras, previamente polidas com alumina até uma

granulometria ≈ 1 µm, foi analisada por microscopia óptica e/ou eletrônica de

varredura. Os valores de microdureza (HV) foram obtidos através de um

microdurômetro Digimess HV-1000 utilizando carga de 9,8 N, com intervalo de

repouso da ponteira de 10 s, e os valores de dureza (HRB) foram medidos em um

durômetro Instrutherm DB-300, com carga de 100 kgf e intervalo de repouso da

ponteira de 5 s.

Na Fig. 1 (a) é apresentada a morfologia e o tamanho dos cavacos de aço (≤

300 µm). Nota-se que a sua forma é bastante irregular e o seu tamanho, de acordo

com a escala da micrografia, é qualitativamente similar ao medido na peneira. Na

Fig. 1 (b) é mostrada a microestrutura da amostra AM00 atacada com Nital 2%.

Como pode ser visto as fases constituintes, identificadas por uma região escura e


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outra mais clara, são perlita e ferrita, respectivamente. A distribuição destas fases

apresentadas nessa figura é, segundo Colpaert (5), típicas de um aço com cerca de

0,5% de carbono ou SAE 1050.

Figura 1: Caracterização do material de partida: (a) Cavaco de 48 MESH (≤ 300 µm) do aço SAE 1050; (b) Microestrutura da amostra AM00 atacada com Nital 2% (tamanho da barra = 400 µm).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Fig. 2 apresenta as microestruturas polidas dos compactos de cavacos

submetidos à baixa (AM48-BP) e alta pressão (AM48-AP) respectivamente.

Observa-se que na amostra AM48-BP a pressão foi insuficiente para mantê-la

integra e isso não permitiu que a sua superfície fosse polida para posterior análise

de fases e microdureza em sua microestrutura. Diferentemente, na amostra

compactada sob alta pressão foi possível polir a sua superfície e analisar a sua

microestrutura e isso é um forte indicativo do efeito do aumento da pressão de

compactação na densidade verde dessa amostra e na redução do grau de

porosidade em sua microestrutura.

O fato de aparecerem na amostra AM48-AP cavacos menores do que o de

partida é um forte indicativo de que a alta pressão contribuiu de uma forma dinâmica

e semelhante ao processo de moagem em alta energia para a atuação simultânea

ou não da deformação, soldagem, encruamento e fratura desses materiais (8). Isso

se traduziu num aumento da densidade de compactação (densidade verde), devido

a uma melhor acomodação ou rearranjo desses cavacos no interior das amostras

compactadas.

b a


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Figura 2: (a) Compacto de cavaco de aço com 48 MESH prensado sob baixa pressão (AM48-BP); (b)

Compacto de cavaco de aço com 48 MESH prensado sob alta pressão (AM48-AP).

A Fig. 3 apresenta as microestruturas das amostras compactadas em

diferentes pressões e sinterizadas em 1100ºC, respectivamente. Nota-se que a

amostra AM48BP apresenta ainda um elevado grau de porosidade (regiões

escuras). Esse resultado, de acordo com a literatura (9), é característico de uma

microestrutura em estágio inicial de sinterização, cuja densidade relativa é menor

que 92%. A temperatura de sinterização, associada à baixa pressão de

compactação, não foi suficiente para promover uma maior ligação entre os cavacos,

e assim uma estrutura mais densificada.

Comparando a microestrutura da amostra de alta pressão com a de baixa

pressão pode-se observar um aumento da densificação da primeira. Isso está

relacionado ao efeito da alta pressão na redução do grau de porosidade presente

nos compactos e consequentemente na energia necessária para sinterizar as

amostras. Embora a alta pressão melhorou as condições de sinterabilidade dos

cavacos de aço SAE 1050, porque, além de promover uma maior compactação do

pó de partida, uma tensão externa aplicada aos compactos somou-se à tensão

superficial dos cavacos como força motriz para o processo de sinterização, ainda

não se obteve sinterizados com densidade máxima ou mais próximo da teórica. A

temperatura ainda não foi suficiente para produzir sinterizados em estágio final de

sinterização.

b a


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Figura 3: (a) Micrografia da amostra AM4811-BP, com tamanho de cavaco de 300 µm, compactada a 0,5 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV); (b) Micrografia da amostra AM4811-AP, com tamanho de

cavaco de 300 µm, compactada a 2 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV).

A Fig. 4 apresenta as micrografias das amostras compactadas em alta pressão

e sinterizadas em 1100ºC (AM4811-AP) e em 1200ºC (AM4812-AP),

respectivamente.

Comparando estas microestruturas, observa-se uma evolução significativa na

densificação da amostra sinterizada em 1200ºC. Esta amostra, por apresentar uma

significativa presença de poros esféricos e grande redução da quantidade de poros

grandes em sua microestrutura encontra-se no estágio final de sinterização (≥ 95%).

A temperatura de 1200ºC foi suficiente, como força motriz, para aumentar a

densificação dos cavacos compactados.

Figura 4: (a) Micrografia da amostra AM4811-AP, com tamanho de cavaco de 300 µm, compactada a

2 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV); (b) Micrografia da amostra AM4812-AP, com tamanho de cavaco de 300 µm, compactada a 2 GPa e sinterizada em 1200°C (MEV).

A Tab. 1 apresenta os valores de densidade, microdureza e dureza das

amostras. A tabela apresenta o valor da densidade considerada como teórica

medida na amostra original (AM00), assim como os valores de microdureza e dureza

b a

b a


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também medidos nesta amostra, com a finalidade de comparar os resultados com as

amostras produzidas.

Observa-se que as amostras compactadas em alta pressão apresentaram

elevada densidade à verde quando comparadas com a amostra de baixa pressão.

Esse resultado de densidade, até onde se sabe, é improvável de ser obtido através

de técnicas convencionais de compactação (10).

Nota-se que o valor de densidade sinterizada da amostra compactada sob

baixa pressão e posteriormente sinterizada é significativamente inferior aquele

apresentado para as densidades verdes das amostras compactadas sob alta

pressão. Esse resultado é um forte indicativo do efeito da alta pressão na

sinterização dos cavacos compactados, e mostra a inviabilidade industrial para se

sinterizar cavacos tão grosseiros através de técnicas convencionais de

compactação.

Além disso, observou-se que o valor de densidade relativa da amostra

compactada sob alta pressão e posteriormente sinterizada em 1100ºC é de 93,75 %,

estando no estágio intermediário de sinterização, e da amostra sinterizada em

1200ºC é de 95,80 %, estando no estágio final de sinterização, como discutido

anteriormente sobre as microestruturas das amostras sinterizadas.

Também na Tab. 1 são apresentados os resultados de microdurezas das

amostras sinterizadas em 1100ºC e 1200ºC. A amostra compactada em baixa

pressão e sinterizada em 1100ºC apresenta valor de microdureza inferior à metade

do valor apresentado para a amostra original, de 210,23±16,62 HV. Isso está

relacionado com a pobre sinterabilidade ou baixo grau de ligação dos cavacos dessa

amostra, mostrado na Fig. 3 (a).

Já nas amostras compactadas em alta pressão e sinterizadas em 1100ºC e

1200°C os valores de microdureza são coerentes com suas microestruturas

apresentadas anteriormente na Fig. 4 e com os valores de densidade sinterizada e

relativa. Como a amostra AM4811-AP encontra-se no estágio intermediário de

sinterização, seu valor de microdureza está bem abaixo daquele apresentado para a

amostra AM00 e AM4812-AP, sendo que esta última encontra-se no estágio final de

sinterização.

Embora a amostra AM4812-AP encontre-se em estágio final de sinterização, o

seu valor médio de microdureza é inferior aquele apresentado para a amostra

original. Isso é um indicativo de que os valores de microdureza dependem


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significativamente da densificação, do grau de deformação plástica presente nas

amostras compactadas e posteriormente sinterizadas e das fases formadas em suas

respectivas microestruturas finais.

Um fator importante de ser observado é a elevada dispersão apresentada em

todas as medidas de microdureza. A fim de melhor investigar esse fato, foram

realizadas medidas de dureza nas amostras com o objetivo de identificar o valor

representativo dessa propriedade nesses materiais.

A obtenção de impressões de dureza com regiões maiores permitiu que se

considerassem os valores médios de dureza obtidos como representativos do

material. A amostra sinterizada em 1100ºC apresenta valor de dureza menor do que

aquele obtido para o compacto sinterizado em 1200ºC e também medido na amostra

original.

Tabela 1: Medidas de densidade, microdureza e dureza das amostras sinterizadas em diferentes

temperaturas.

Amostras Densidades (g/cm3) Microdureza

(HV) Dureza (HRB) Verde Sinterizada Relativa (%)

AM4811-BP 5,03 6,77 6,88

5,67±0,04 72,32 83,00±15,20 -

AM4811-AP 7,35±0,06 93,75 98,98±21,04 32,58±5,34

AM4812-AP 7,51±0,07 95,80 180,97±41,12 57,57±11,04

Obs.: Densidade considerada como teórica medida na amostra AM00: 7,84 (g/cm3). Microdureza para a amostra AM00: 210,23±16,62 HV. Dureza para a amostra AM00: 88,33±2,73 HRB.

CONCLUSÕES

Obteve-se a produção de corpos bem sinterizados, inviáveis de serem

produzidos através de técnicas convencionais de sinterização sem o uso de aditivos

e/ou temperaturas significativamente maiores do que 1250ºC.

A alta pressão contribuiu de uma forma dinâmica para a atuação simultânea ou

não da deformação, soldagem, encruamento e fratura de materiais dúcteis, tais

como o aço SAE 1050 e isso se traduziu num aumento da densidade de

compactação.

Os compactos de cavacos grosseiros (≤ 300 µm) apresentaram valores de

densidade relativa entre 93,75% e 95,80% quando sinterizados em temperaturas

menores ou iguais a 1200ºC.

Os resultados obtidos no presente trabalho abrem perspectivas bastante

interessantes de utilização da técnica de Alta Pressão para produção de sinterizados


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de cavacos grosseiros (≤ 300 µm) ferrosos e não ferrosos e de difícil sinterização

através de técnicas convencionais, tais como a Metalurgia do Pó.

REFERÊNCIAS 1. HÖGANÄS PRESS. O novo mundo da sinterização. Höganäs Press, p. 6-8, set. 2008. Disponível em: <http://www.metallum.com.br/recompo/Hoganas_Press.pdf>. Acesso em: 29 ago. 2012. 2. DINIZ, A.; MARCONDES, E.; FRANCISCO, C.; COPPINI, N. Tecnologia da usinagem dos materiais. 2. ed. São Paulo: Art Liber Editora, 2000. 3. DELFORGE, D. Cavaco de um Aço Inoxidável Austenítico Reciclado por Metalurgia do Pó: Uma Rota Alternativa para o Reaproveitamento de Materiais Metálicos. 2007. 94 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas. 2007. 4. SOARES, S. Sinterização de TiB2 em Altas Pressões. 2003. 124 f. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2003. 5. COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1974. 6. REILLY, J.; RAE, W. N. Physico-Chemical Methods. London: Methuen & CO LTD., 1954. 7. PRATTEN, N. A. Review: the precise measurement of the density of small samples. Journal of Materials Science, v.16,p.1737-1747, 1981. 8. COSTA, F. Síntese e Sinterização de Pós Compósitos do Sistema W-Cu. 2004. 195 f. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear - Materiais) – Universidade de São Paulo, São Paulo. 2004. 9. GOMES, U. Tecnologia dos Pós: Fundamentos e Aplicações. Natal: Editora Universitária, 1995. 10. LENEL, F. Powder Metallurgy: Principles and Applications. Princeton, New Jersey: Metal Powder Industries Federation, 1980. 589 p.

STUDY OF EFFECT OF PRESSURE IN THE SINTERING OF FERROUS CHIP.

ABSTRACT It is economically advantageous to recycle iron and steel products by melting and

recasting them into semifinished forms for use in the manufacture of small parts. One


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alternative process to recycle ferrous metals is the high-pressure technique. In the

present work SAE 1050 steel chip derived from machining dry and have been

compacted and sinterized. The steel samples with 8 mm in diameter and 3 mm in

high were compacted under pressures of 2 GPa and after sintered in an electric

furnace. The heating rate, sintering temperature and time were 20°C/min, 1100ºC

and 1200ºC and 90 min respectively. The microstructure of samples was

characterized by MO, MEV, microhardness, hardness and density measures. The

results indicates that samples compacted under high pressure presented highly

densified and mechanical properties greater than the ones obtained in low pressure.

Key-words: sintering, ferrous chips, high pressure, densification, sintering

mechanisms.


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